Hidrogénkötések a vízben

Te egy beszélő, eszközöket készítő, tanulásra képes zacskó víz vagy. Oké, ez nem teljesen igaz, de közel jár az igazsághoz, mivel az emberi test 60-70%-a víz. És nem csak az emberek – a legtöbb állat, sőt, még az apró baktériumok is nagyrészt vízből épülnek fel.$^1$start superscript, 1, end superscript A víz elengedhetetlen az általunk ismert élet létezéséhez. Lehet, hogy drámaian hangzik, de igaz – és a drámai igazságok teszik érdekessé az életet! Egy élőlényben a sejtszinten végbemenő kémiai és anyagcsere folyamatok többségének a színhelye a sejtek belsejében lévő, víz alapú „ragacs”, a citoszol.

A víz nemcsak nagyon gyakori az élőlények testében, hanem van néhány olyan szokatlan kémiai tulajdonsága is, melyek rendkívül alkalmassá teszik az élet fenntartására. Ezek a tulajdonságok a biológia több szintjén is nagyon fontosak, a sejtektől az organizmusokon át egészen az ökoszisztémákig. A következő leckékben bővebben is olvashatsz a víznek az életet fenntartó tulajdonságairól:

A víz ezen egyedülálló tulajdonságait a molekulái polaritásának köszönheti és különösen annak a ténynek, hogy ezek képesek hidrogénkötéseket képezni egymással és más molekulákkal. Az alábbiakban megnézzük, hogyan működik a hidrogénkötés.

A víz kémiai viselkedésének megértéséhez elengedhetetlen ismernünk annak molekulaszerkezetét. A vízmolekulában két hidrogénatom kapcsolódik egy oxigénatomhoz, a molekula alakja pedig V alakban meghajlott. Ennek az az oka, hogy az oxigénatomnak a hidrogénatomokkal kialakított kötései mellett két nemkötő elektronpárja is van. Mindegyik elektronpár – kötők és nemkötők egyaránt – taszítja egymást.

A legstabilabb elrendezés az, amelyikben az elektronpárok a legtávolabbra kerülnek egymástól: egy tetraéder, ahol az $\text{O}-\text{H}$start text, O, end text, minus, start text, H, end text kötések a négy „lábból” kettőt képeznek. A nemkötő elektronpárok taszítóereje valamivel nagyobb, mint a kötő elektronpároké, így az $\text{O}-\text{H}$start text, O, end text, minus, start text, H, end text kötések által bezárt szög a szabályos tetraéder 109°-os szöge helyett 104,5°-ra módosul.$^2$squared

Mivel az oxigén elektronegativitása nagyobb — mohóbban vágyik az elektronokra, mint a hidrogén —, az $\text{O}$start text, O, end text-atom megragadja az elektronokat és nem ereszti őket a $\text{H}$start text, H, end text-atomok közelébe. Ezáltal a vízmolekula oxigén felőli végén részlegesen negatív töltés, míg a hidrogén felőli végén részlegesen pozitív töltés alakul ki. A vizet poláris kovalens kötései és hajlott alakja miatt a poláris molekulák közé soroljuk.$^{2,3}$start superscript, 2, comma, 3, end superscript

Polaritásuknak köszönhetően a vízmolekulák készségesen vonzódnak egymáshoz. A vízmolekula részlegesen pozitív vége — vagyis a hidrogénatom — lép kapcsolatba egy másik vízmolekula részlegesen negatív végével — vagyis egy oxigénatommal.

E vonzóerők a hidrogénkötések példái. Ezek olyan gyenge kölcsönhatások, amelyek egy részlegesen pozitív töltésű hidrogén és egy nagyobb elektronegativitású atom, például oxigén között jönnek létre. A hidrogénkötésben részt vevő hidrogénatomoknak nagy elektronegativitású atomokhoz (például $\text{O}$start text, O, end text, $\text{N}$start text, N, end text, vagy $\text{F}$start text, F, end text) kell kapcsolódniuk.

A vízmolekulák más poláris molekulákhoz és ionokhoz is vonzódnak. Az olyan töltéssel rendelkező vagy poláris anyagot, amely kölcsönhatásba lép és feloldódik vízben, hidrofilnek nevezzük: a hidro „vizet” jelent, a fil pedig „kedvelőt”. Ezzel szemben az apoláris molekulák, például az olajok és zsírok, nem lépnek kölcsönhatásba a vízzel. Elkülönülnek tőle, ahelyett, hogy feloldódnának benne, ezért őket hidrofóboknak nevezzük: a fóbia jelentése „félelem”. Észrevehetted, hogy ez az olaj és ecet alapú salátaönteteknek egy nem túl praktikus tulajdonsága. Az ecet nagyrészt vizet tartalmaz, egy kevés savval kiegészítve.